ПИРОМЕТР ИСТИННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2020 года по МПК G01J5/10 

Заявляемое изобретение относится к приборостроению, а конкретно - к оптико-электронным приборам для дистанционного измерения истинной температуры различных поверхностей, например, в строительстве для контроля утечек тепла из зданий через стены, окна, крыши, из теплоизоляции теплотрасс; при тепловом неразрушающем контроле электронных устройств и закамуфлированных объектов, и в других самых различных областях техники.

Известны многочисленные серийно выпускаемые пирометры различных фирм, которые позволяют дистанционно измерять радиационную, а не истинную, температуру наблюдаемой поверхности в одной ее точке, но не по площади, а определение истинной температуры по результатам таких измерений производится путем косвенных вычислений с использованием приближенного значения коэффициента теплового излучения этой поверхности [1. DE 3743131 А1 от 03.05.1989; 2. RU 2219504 от 18.02.2002; 3. RU 2365883 от 11.12.2007; 4. RU 2255312 от 19.08.2003; 5. RU 2593923 от 21.08.2013; 6. RU 2622239 от 18.05.2016], в том числе тепловизоры, регистрирующие радиационную температуру в виде двумерной термограммы [Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1983].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является пирометр истинной температуры по патенту RU 2219504 от 18.02.2002, содержащий объектив, обтюратор, датчик синхронизации, приемник излучения, электронный коммутатор, блок усиления, устройство управления и вычисления, абсолютно черное тело (АЧТ) и устройство управления работой АЧТ. Данное устройство позволяет дистанционно измерять истинную температуру различных объектов с неизвестным коэффициентом теплового излучения.

Недостатком прототипа являются большие габариты и сложность конструкции; ограниченное быстродействие вследствие последовательного выполнения вычислений; измерение истинной температуры производится в точке, а не по площади поля зрения прибора.

Задача изобретения - упрощение конструкции и уменьшение габаритных размеров, увеличение быстродействия и расширение функциональных возможностей пирометра.

Технический результат достигается за счет того, что в состав пирометра истинной температуры, содержащего функционально связанные объектив, обтюратор, датчик синхронизации, приемник излучения, блок усиления, устройство управления и вычисления, введены коллиматор, отражательная дифракционная решетка, вычислитель точки экстремума теплового излучения (максимума энергетической светимости) объекта, генератор термопрофиля и монитор, при этом коллиматор и отражательная дифракционная решетка установлены последовательно между обтюратором и приемником излучения, обтюратор выполнен щелевым и снабжен электроприводом, а приемник излучения выполнен в виде микроболометрической матрицы, на вход которой поступает полихроматический спектр инфракрасного излучения от отражательной дифракционной решетки, а электрические сигналы с выхода матрицы приемника поступают на вход блока усиления, выход которого последовательно соединен с вычислителем экстремума, генератором термопрофиля и монитором, при этом вычислитель экстремума выполняет вычисление максимального значения истинной температуры и координат точки поверхности объекта, соответствующей этому максимальному значению истинной температуры объекта.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется функциональной схемой, изображенной на чертеже и содержащей следующие функциональные элементы: 1 - объектив; 2 - электропривод обтюратора 3; 4 - датчик синхронизации; 5 - коллиматор; 6 - отражательная дифракционная решетка; 7 - приемник излучения в виде микроболометрической матрицы; 8 - блок усиления; 9 - устройство управления и вычисления; 10 - вычислитель экстремума; 11 - генератор термопрофиля; 12 - монитор, - при этом объектив 1, обтюратор 3, коллиматор 5, дифракционная решетка 6 и вход приемника излучения 7 связаны оптически, в выход приемника 7 электрически последовательно связан с входом блока усиления 8, устройством управления и вычисления 9, вычислителем экстремума 10, генератором термопрофиля 11 и монитором 12.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Инфракрасное излучение поверхности объекта, температура которой измеряется, принимается объективом 1, проходит через обтюратор 3 и коллимируется на входе отражательной дифракционной решетки 6 с помощью коллиматора 5. Дифракционная решетка 5 формирует полихроматический спектр инфракрасного излучения от объекта, принимаемого матричным приемником излучения 7. Электрические выходы чувствительных элементов матрицы приемника 7 после усиления в блоке усиления 8 опрашиваются по командам опроса, поступающим с устройства управления и вычисления 9, в результате чего в вычислителе экстремума 10 осуществляется вычисление координат точки (пикселя изображения) поверхности объекта и значения экстремума истинной температуры объекта в этой точке, а также длины волны инфракрасного излучения, соответствующей этому значению истинной температуры в точке поверхности объекта, по формуле, выражающей закон Вина:

λ_max=2898 / Т, мкм×К,

где λ_max - длина волны, соответствующая максимуму энергетической светимости объекта по закону Планка (см. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1983), мкм; Т - истинная температура объекта, К.

Генератор термопрофиля 11 формирует двумерный термопрофиль поверхности объекта, визуально наблюдаемый на экране монитора 12 как поле истинных температур объекта в виде изображения, подобного тепловизионному, но более информативного, за счет исключения влияния коэффициента теплового излучения объекта. Значение истинной температуры определяют по максимальному значению (значению экстремума) полученного термопрофиля в каждой точке поверхности объекта. Датчик синхронизации 4 обеспечивает согласованную работу обтюратора 2, приемника излучения 7, блока усиления 8, устройства управления и вычисления 9, вычислителя 10, генератора термопрофиля 11 и монитора 12.

Технический результат заключается в повышении быстродействия пирометра, в уменьшении его габаритных размеров за счет исключения из конструкции абсолютно черного тела и устройства управления его работой, и в расширении функциональных возможностей, заключающемся в появлении возможности определения истинной температуры и длины волны, соответствующей максимуму энергетической светимости объекта, в каждой точке обозреваемой поверхности объекта.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается пирометра истинной температуры. Пирометр содержит объектив, обтюратор, датчик синхронизации, коллиматор, отражательную дифракционную решетку, приемник излучения, блок усиления, устройство управления и вычисления, вычислитель точки экстремума теплового излучения объекта, генератор термопрофиля и монитор. Коллиматор и отражательная дифракционная решетка установлены последовательно между обтюратором и приемником излучения. Электрические сигналы с выхода матрицы приемника поступают на вход блока усиления, выход которого последовательно соединен с устройством управления и вычисления, вычислителем экстремума, генератором термопрофиля и монитором. Вычислитель экстремума выполняет вычисление максимального значения истинной температуры и координат точки поверхности объекта, соответствующей этому максимальному значению истинной температуры объекта. Технический результат заключается в повышении быстродействия пирометра, уменьшении габаритных размеров и в упрощении конструкции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пирометр истинной температуры, содержащий функционально связанные объектив, обтюратор, датчик синхронизации, приемник излучения, блок усиления, устройство управления и вычисления, отличающийся тем, что в него введены коллиматор, дифракционная решетка, вычислитель точки экстремума теплового излучения объекта, генератор термопрофиля и монитор, при этом коллиматор и отражательная дифракционная решетка установлены последовательно между обтюратором и приемником излучения, на вход которого поступает полихроматический спектр инфракрасного излучения от отражательной дифракционной решетки, а электрические сигналы с выхода матрицы приемника поступают на вход блока усиления, выход которого последовательно соединен с устройством управления и вычисления, вычислителем экстремума, генератором термопрофиля и монитором, при этом вычислитель экстремума выполняет вычисление максимального значения истинной температуры и координат точки поверхности объекта, соответствующей этому максимальному значению истинной температуры объекта.

2. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен в виде микроболометрической матрицы.

3. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что обтюратор выполнен щелевым и снабжен электроприводом.

4. Пирометр по п. 1, отличающийся тем, что значение истинной температуры определяют по максимальному значению термопрофиля в соответствующей точке поверхности объекта.